Photosynthèse végétale
Mettre en évidence la photosynthèse et la respiration cellulaire chez les végétaux en mesurant les échanges de CO₂ et O₂ à la lumière et à l'obscurité.
La photosynthèse est un processus chimique fondamental du vivant : les plantes vertes utilisent l'énergie lumineuse pour combiner l'eau (H₂O) et le dioxyde de carbone (CO₂), produisant des glucides comme le glucose et libérant du dioxygène (O₂). Cette réaction se déroule dans les chloroplastes. Mais les plantes ne font pas que photosynthétiser : elles respirent aussi ! La respiration cellulaire, qui se produit dans les mitochondries, est le processus inverse : les glucides sont reconvertis en eau, en CO₂ et en énergie (ATP) utilisée pour le métabolisme et la croissance. Le jour, la photosynthèse domine : la plante consomme plus de CO₂ qu'elle n'en produit. La nuit, en l'absence de lumière, seule la respiration subsiste : la plante rejette du CO₂ et consomme de l'O₂. Grâce au boîtier FizziQ Connect équipé de capteurs de CO₂ et d'O₂, tu vas pouvoir suivre ces échanges gazeux en temps réel et observer le basculement entre les deux processus.
Résumé :
L'élève place des végétaux fraîchement coupés dans une enceinte hermétique équipée d'un boîtier FizziQ Connect et de capteurs O₂ et SCD40. Il enregistre les concentrations de CO₂ et d'O₂ pendant 10 minutes à la lumière du jour, puis recouvre l'enceinte d'un tissu opaque pour 10 minutes supplémentaires. Il observe un changement de pente très net de la concentration en CO₂ lors du passage à l'obscurité, mettant en évidence le basculement de la photosynthèse vers la respiration cellulaire.
Nível :
Autor:
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Lycée
FizziQ
30
Objectif pédagogique :
- Mettre en évidence les échanges gazeux liés à la photosynthèse et à la respiration cellulaire
- Mesurer l'évolution de la concentration en CO₂ dans une enceinte fermée contenant des végétaux
- Identifier le rôle de la lumière dans l'équilibre photosynthèse/respiration
- Interpréter un changement de pente sur un graphique concentration-temps
- Relier les observations expérimentales aux équations-bilans de la photosynthèse et de la respiration
Concepts scientifiques :
- Photosynthèse
- Respiration cellulaire
- Échanges gazeux CO₂/O₂
- Chloroplastes et mitochondries
- Métabolisme végétal
- Équation-bilan de la photosynthèse : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
- Équation-bilan de la respiration : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie
Capteurs :
- Capteur SCD40 (concentration en CO₂ en ppm, température, humidité)
- Capteur O₂ (concentration en dioxygène en %)
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec FizziQ Connect
- Capteur SCD40 (CO₂, température, humidité)
- Capteur O₂
- Enceinte hermétique transparente (bocal en verre)
- Tissu opaque pour obscurcir l'enceinte
- Végétaux fraîchement coupés (feuilles de salade, d'épinard ou plante verte)
Protocole expérimental :
Branche les capteurs O₂ et SCD40 sur le port I2C du boîtier M5 Stack par l'intermédiaire du Hub multiports.
Ouvre l'application FizziQ Connect sur ton smartphone ou ta tablette et connecte-toi au boîtier M5 Stack via Bluetooth.
Vérifie que les deux capteurs sont bien détectés : tu dois voir la concentration en CO₂ (en ppm) et la concentration en O₂ (en %).
Place des végétaux fraîchement coupés (feuilles de salade, épinards) dans l'enceinte hermétique transparente, avec les capteurs positionnés de manière à ne pas écraser les feuilles.
Ferme hermétiquement l'enceinte et place-la à la lumière du jour (près d'une fenêtre ensoleillée).
Lance l'enregistrement simultané de la concentration en CO₂ et en O₂ dans FizziQ Connect.
Laisse l'enceinte à la lumière pendant 10 minutes. Observe l'évolution des concentrations : la photosynthèse domine, le CO₂ diminue.
Sans ouvrir l'enceinte, recouvre-la complètement avec le tissu opaque pour supprimer tout apport lumineux.
Poursuis l'enregistrement pendant 10 minutes supplémentaires à l'obscurité. Observe le changement de pente : le CO₂ augmente maintenant car seule la respiration cellulaire est active.
Arrête l'enregistrement et analyse les graphiques. Identifie le moment exact du changement de pente et compare les vitesses de variation du CO₂ dans les deux phases.
Résultats attendus
On observe un changement de pente très net de la concentration en CO₂ et quasi-instantané lorsque l'enceinte hermétique est placée dans l'obscurité. À la lumière, la concentration en CO₂ diminue car la photosynthèse consomme le CO₂ plus vite que la respiration n'en produit. À l'obscurité, la concentration en CO₂ augmente car seule la respiration subsiste. Les valeurs de la concentration en O₂ oscillent entre 20 et 23 %, cependant la précision du capteur O₂ n'est pas toujours suffisante pour mettre en évidence de façon nette la production ou la consommation de dioxygène. Le capteur SCD40 est beaucoup plus sensible et donne des résultats exploitables avec des variations de CO₂ allant de 233 ppm à plus de 700 ppm selon les conditions.
Questions scientifiques :
- Pourquoi le changement de pente de la concentration en CO₂ est-il quasi-instantané lors du passage à l'obscurité ?
- Si la respiration a lieu jour et nuit, pourquoi ne l'observe-t-on pas sur le graphique pendant la phase éclairée ?
- Comment expliquer que le capteur O₂ soit moins précis que le capteur CO₂ pour cette expérience ?
- Que se passerait-il si l'on prolongeait l'expérience à l'obscurité pendant plusieurs heures ?
- Comment pourrait-on quantifier la vitesse de la photosynthèse à partir de la pente du graphique CO₂(t) ?
Analyse scientifique
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique. L'équation-bilan simplifiée s'écrit : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Cette réaction se produit dans les chloroplastes, organites présents uniquement dans les cellules végétales.
La respiration cellulaire est le processus inverse : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie (ATP). Elle se déroule dans les mitochondries, présentes dans toutes les cellules eucaryotes, végétales comme animales.
À la lumière, les deux processus coexistent dans la cellule végétale. Cependant, la photosynthèse est plus active que la respiration : le bilan net est une consommation de CO₂ et une production d'O₂. C'est pourquoi la concentration en CO₂ diminue dans l'enceinte éclairée.
À l'obscurité, la photosynthèse cesse complètement (elle nécessite de l'énergie lumineuse), mais la respiration continue. Le bilan net est alors une production de CO₂ et une consommation d'O₂. Le changement de pente sur le graphique est quasi-instantané car l'arrêt de la photosynthèse est immédiat dès que la lumière disparaît.
Le capteur SCD40 mesure la concentration en CO₂ par un principe de mesure photoacoustique, avec une plage de 0 à 40 000 ppm et une précision de ± 50 ppm. Cette sensibilité est largement suffisante pour détecter les variations dues à la photosynthèse et à la respiration.
Le capteur O₂ fonctionne par principe électrochimique. Sa précision (de l'ordre de ± 1 %) est souvent insuffisante pour mettre en évidence les faibles variations d'O₂ à l'échelle de cette expérience, contrairement au capteur de CO₂ qui est beaucoup plus sensible aux variations.
L'intensité de la photosynthèse dépend de plusieurs facteurs : l'intensité lumineuse, la longueur d'onde de la lumière, la température, la concentration en CO₂ et la disponibilité en eau. Ces paramètres constituent autant de pistes d'approfondissement expérimental.
Variantes possibles
- Faire varier l'intensité lumineuse (lumière naturelle forte, faible, lumière artificielle) et comparer les pentes de consommation de CO₂
- Utiliser de la lumière monochromatique (filtres colorés rouge, bleu, vert) pour étudier l'influence de la longueur d'onde sur la photosynthèse
- Modifier la température de l'enceinte (bain thermostaté, bain de glace fondante) pour étudier l'influence de la température sur l'activité enzymatique
- Comparer différents types de végétaux (salade, épinard, herbe, plante d'intérieur)
- Faire varier la durée d'exposition à la lumière et tracer la courbe de compensation lumineuse
FAQ
Q: Le capteur O₂ ne montre pas de variation nette, est-ce normal ?
R: Oui. Le capteur O₂ a une précision de l'ordre de ± 1 %, ce qui le rend insuffisant pour détecter les faibles variations d'O₂ sur 10 minutes. Les oscillations observées entre 20 et 23 % sont essentiellement du bruit de mesure. Le capteur SCD40 (CO₂) est beaucoup plus sensible et donne les résultats les plus exploitables.
Q: Faut-il utiliser des végétaux fraîchement coupés ou une plante en pot ?
R: Les deux sont possibles. Les végétaux fraîchement coupés (salade, épinards) offrent une grande surface foliaire dans un petit volume. Une plante en pot fonctionne aussi mais l'activité du sol (micro-organismes) peut interférer avec les mesures de CO₂.
Q: Combien de temps faut-il pour observer un changement de pente ?
R: Le changement de pente est quasi-instantané lors du passage lumière/obscurité. En revanche, il faut au moins 5 à 10 minutes d'enregistrement dans chaque condition pour obtenir une pente bien définie.
Q: Le taux de CO₂ peut-il atteindre des niveaux dangereux ?
R: Non, dans les conditions de l'expérience (enceinte de petit volume, 10-20 minutes), les concentrations de CO₂ restent bien en dessous des seuils de danger. L'enceinte est fermée et ne présente aucun risque pour les élèves.